水稻溝田協(xié)同控制灌排模式的節(jié)水減污效應(yīng)

朱成立，郭相平※，劉敏昊，湯樹海（.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 0098；.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，南京 009；　.漣水水利科學(xué)研究站，漣水 00）

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水稻溝田協(xié)同控制灌排模式的節(jié)水減污效應(yīng)

朱成立1，郭相平1※，劉敏昊2，湯樹海3
（1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，南京 210029；3.漣水水利科學(xué)研究站，漣水 223200）

摘要：南方地區(qū)水稻生長(zhǎng)期暴雨較多，高施肥量下的稻田易使大量氮磷隨排水流失，導(dǎo)致水體環(huán)境惡化。該文提出稻作區(qū)溝田協(xié)同控制灌排技術(shù)的概念，即在農(nóng)田蓄雨控排的基礎(chǔ)上，利用農(nóng)溝對(duì)農(nóng)田排水再次攔截，并滯蓄農(nóng)溝控制區(qū)內(nèi)溝渠、道路以及農(nóng)田側(cè)滲排水，利用農(nóng)溝和農(nóng)田的濕地效應(yīng)，減少排水量及氮磷濃度，降低污染物負(fù)荷。2013年采用大田試驗(yàn)，測(cè)試農(nóng)田和農(nóng)溝尺度上的灌排水量、灌排次數(shù)和氮磷流失量，對(duì)上述模式進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，農(nóng)田尺度上，蓄雨控排模式較對(duì)照處理（淺水勤灌）需水量和耗水量減少18.8%和15.3%，灌溉定額和地面排水量分別減少28.0%和60.6%，氮、磷負(fù)荷分別減少58.6%和58.8%，灌水次數(shù)減少4次，處理間差異顯著（P＜0.05），處理間籽粒產(chǎn)量無顯著差異（P＞0.05）。農(nóng)溝尺度上，溝田協(xié)同控制灌排技術(shù)較非控排模式排水量減少55.9%，總氮和總磷負(fù)荷分別減少59.7% 和66.7%；降雨初期農(nóng)田和農(nóng)溝水中氮磷濃度高且隨滯留時(shí)間衰減較快，控制排水能有效減少氮磷負(fù)荷；滲漏水量中氮磷濃度較低。溝渠、道路等非農(nóng)田的地面排水量占溝道總排水量的31.3%～38.7%，也是重要的氮磷負(fù)荷來源。結(jié)果表明溝田協(xié)同控制灌排技術(shù)具有較好的節(jié)水、省工和減排、控污效果，對(duì)南方稻作區(qū)灌排管理具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：排水；氮；磷；水稻田；溝田協(xié)同排水

朱成立，郭相平，劉敏昊，湯樹海. 水稻溝田協(xié)同控制灌排模式的節(jié)水減污效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（3）：86－91.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.013http://www.tcsae.org

Zhu Chengli, Guo Xiangping, Liu Minhao, Tang Shuhai. Reduction of nitrogen, phosphorous and runoff by coordination controlled drainage with basin and ditch in paddy field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 86－91. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.013 http://www.tcsae.org

0　引　言

中國(guó)有超過3 000萬hm2的水稻種植面積，主要分布于南方地區(qū)，生長(zhǎng)期與雨期同步。尤其是長(zhǎng)江中下游的江淮地區(qū)，生育前期正值梅雨季節(jié)，田間水稻覆蓋度小而暴雨多發(fā)，加上氮磷施用水平較高，在雨滴擊濺侵蝕和徑流沖刷下，隨地表排水產(chǎn)生的氮、磷流失已經(jīng)成為南方地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的重要來源[1]。水稻具有一定的耐旱能力和較強(qiáng)的耐漬、澇能力，將現(xiàn)有的水稻節(jié)水灌溉技術(shù)與控制排水技術(shù)相結(jié)合，利用稻田和遍布其中的排水溝，攔蓄地表徑流，并延長(zhǎng)雨水在溝、田中的滯留時(shí)間，可充分發(fā)揮溝、田的濕地效應(yīng)，減少排水量和排水中的氮磷污染物，控制面源污染[2]。

已有研究表明，地表排水是稻田氮磷進(jìn)入受納水體的重要途徑[3]，農(nóng)田（稻作區(qū)為格田）和溝道控制排水可減少排水量和氮磷負(fù)荷[4-7]，具有良好的節(jié)水、減排效果。單純農(nóng)田控制排水雖可攔截大部分降雨[4-5]，但稻作區(qū)內(nèi)的溝、渠、路、田坎等非耕地，在雨滴擊濺侵蝕和坡面水流沖刷下，仍會(huì)產(chǎn)生大量地表徑流和氮磷流失，通過溝道系統(tǒng)進(jìn)入受納水體。同樣，若僅控制溝道排水，農(nóng)田排水過多，加上溝（渠）坡面、道路等非耕地產(chǎn)流，溝道攔蓄庫容有限[6]，仍可能產(chǎn)生較多排水和氮磷流失。構(gòu)建人工濕地雖被國(guó)外學(xué)者認(rèn)為是減輕農(nóng)業(yè)面源源污染的有效方式[8-9]，但由于南方地區(qū)土地緊張，難以推廣。國(guó)內(nèi)稻作區(qū)通常具有發(fā)達(dá)的排水溝道系統(tǒng)，如長(zhǎng)江下游的江蘇省，農(nóng)溝占地可達(dá)農(nóng)田的5%～11%，深度一般在1.0～1.8 m，具有較強(qiáng)的蓄水能力。因此，采用溝田協(xié)同控制灌排模式，降雨由農(nóng)田進(jìn)行初次攔截，由溝道對(duì)農(nóng)田排水進(jìn)行再次攔截，在減少排水量的同時(shí)，增加雨水在農(nóng)田、農(nóng)溝中的滯留時(shí)間，充分發(fā)揮溝、田的濕地效應(yīng)以消減氮磷濃度，應(yīng)比單一的農(nóng)田或溝道控制排水具有更好的減排效果。目前國(guó)內(nèi)農(nóng)田控制排水研究較多，亦見骨干溝道控制排水用作灌溉水源的研究成果[6-7]，但將節(jié)水灌溉和田間農(nóng)溝、農(nóng)田控制排水相結(jié)合以減少氮磷流失的研究成果較少。本文采用大田試驗(yàn)，研究農(nóng)田蓄水控灌模式下水稻需（耗）水規(guī)律，分析農(nóng)田、農(nóng)溝尺度上的排水量和氮磷負(fù)荷變化，旨在驗(yàn)證溝田協(xié)同控制灌排技術(shù)的可行性，并對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行了初步分析，以期為南方稻作區(qū)節(jié)水減排理論和技術(shù)發(fā)展提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2013年6－10月在漣水縣水利試驗(yàn)站進(jìn)行。該站位于江蘇省漣水縣朱碼鎮(zhèn)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為33°50′N、119°16′E。試區(qū)面積9 hm2，分為東西2塊，分別由2條農(nóng)溝和2條農(nóng)渠控制，單向灌排。項(xiàng)目區(qū)土質(zhì)為壤土，0～100 cm土層平均土壤干容重1.42 g/cm，田間持水量27.9%，飽和含水率33.04%（質(zhì)量含水率）；土壤肥力中等，農(nóng)技水平一般。

2條農(nóng)溝各控制4.5 hm2的田塊，其中耕地面積為4.0 hm2，耕地率89%，其余11%為農(nóng)溝、農(nóng)渠、毛渠和道路。農(nóng)溝東西向長(zhǎng)度450 m，南北間距100 m。試驗(yàn)實(shí)施前3個(gè)月清除農(nóng)溝內(nèi)雜草，并修復(fù)坡面。修復(fù)后的農(nóng)溝底寬1.0 m，深度1.5 m，邊坡系數(shù)1.5。生產(chǎn)路兩側(cè)以及農(nóng)渠、農(nóng)溝和毛溝的渠（溝）頂種植大豆。試驗(yàn)期間，農(nóng)溝底有蘆葦、蒲草、水花生等雜草生長(zhǎng)，坡面以及毛渠（溝）內(nèi)雜草較多。試驗(yàn)期內(nèi)生育階段劃分和降雨量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1　水稻生育期降雨量統(tǒng)計(jì)Table 1　Precipitation during growing stages of rice

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)情況，設(shè)置2個(gè)不同的控制排水處理，分別是T1（常規(guī)排水管理，田間采用淺水勤灌模式，農(nóng)溝非控制排水）和T2（溝田協(xié)同控制灌排處理，田間采用蓄雨控排模式[10]，農(nóng)溝控制排水）。在T1和T2這2塊控制區(qū)內(nèi)，分別布置3個(gè)小區(qū)設(shè)置重復(fù)，共6個(gè)小區(qū)。不同處理控制指標(biāo)見表2。

表2　稻田與排水溝土壤水分與水深控制指標(biāo)Table 2　Soil moisture and water-level control of rice field and trench

本研究雖未設(shè)置溝道控制排水的重復(fù)處理，但溝道控制面積達(dá)到4.5 hm2，且試驗(yàn)田塊由水利試驗(yàn)站技術(shù)人員負(fù)責(zé)管理，品種、施肥量、農(nóng)技措施統(tǒng)一，灌排措施嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)指標(biāo)執(zhí)行，避免了大田試驗(yàn)中農(nóng)戶操作不規(guī)范，故試驗(yàn)仍然具有較好的代表性。

1.3試驗(yàn)過程

試驗(yàn)區(qū)水稻品種為當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)品種“崗優(yōu)158”。秧苗播種時(shí)間為2013年5月27日，移栽時(shí)間為6月23日，行距30 cm，株距13～14 cm。實(shí)測(cè)移栽密度為24.45萬株/hm2?；蕿樘妓釟滗@1 125 kg/hm2，磷肥375 kg/hm2，追肥分蘗尿素225 kg/hm2，全生長(zhǎng)期噴施農(nóng)藥防病治蟲4次。10月25日收割，全生長(zhǎng)期126 d。

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)規(guī)格為20 m×72 m，小區(qū)田埂高度30 cm以上，底部寬度40 cm，上部寬度30 cm。

排水農(nóng)溝出口設(shè)置排水閘控制農(nóng)溝水位。閘門寬度0.8 m，高度1.2 m。降雨后溝道水深保持100 cm（低于田面50 cm），超出部分排向斗溝。余水在農(nóng)溝中自然消耗。斗溝深度2.0 m，底寬2.0 m。試驗(yàn)期間，斗溝水深在0.5～1.0 m左右，農(nóng)溝排水順利。

農(nóng)渠上安裝三角量水堰測(cè)定每個(gè)小區(qū)的各次灌水量；農(nóng)田排水時(shí)測(cè)定各小區(qū)排水前后的水位，根據(jù)水位差計(jì)算排水量。

1.4測(cè)定指標(biāo)與方法

1）降雨量與雨水利用效率。降雨量由漣水水利試驗(yàn)站內(nèi)的自記雨量計(jì)采集。雨水利用效率為生育期內(nèi)有效雨量（農(nóng)田降雨量與排水量之差）占降雨量的百分?jǐn)?shù)。

2）田間水位與土壤含水率。在小區(qū)內(nèi)打入木樁，其上部與田面齊平，每天上午09:00，采用針型水位測(cè)針（SLZ型，南京水文自動(dòng)化研究所產(chǎn)，精度0.1 mm）測(cè)定田間水深。無水層時(shí)，則采用取土烘干法，測(cè)定表土0～20 cm平均土壤質(zhì)量含水率。

3）灌溉定額：各次灌水量之和。

4）農(nóng)田排水量與排水次數(shù)。農(nóng)田排水量采用水位差法。利用測(cè)針測(cè)定排水前后的水深，以3個(gè)小區(qū)的平均值作為排水量。每天發(fā)生多次排水時(shí)，按1次計(jì)算。

5）作物需水量、田間耗水量與滲漏量：在各試驗(yàn)小區(qū)中央位置均設(shè)鐵皮有底測(cè)筒1個(gè)，同時(shí)測(cè)定小區(qū)和有底測(cè)筒的耗水量。試驗(yàn)小區(qū)消耗水量即為田間耗水量；有底測(cè)筒坑消耗水量為作物需水量（蒸發(fā)蒸騰量），二者之差為滲漏量。

6）農(nóng)溝排水量

排水口配置了巴歇爾量水槽和排水閘。當(dāng)農(nóng)溝、斗溝水位差較大時(shí)采用量水槽。否則采用水位差法測(cè)量，方法如下：

T2處理農(nóng)溝在排水閘、溝道中間和溝道尾部各設(shè)立1根水位尺，共3根。非降雨時(shí)排水閘關(guān)閉。降雨時(shí)溝水深達(dá)到110～120 cm時(shí)，記錄各水尺讀數(shù)，然后開閘排水，至水深為90 cm時(shí)停止排水。記錄排水后各水尺讀數(shù)，根據(jù)水位變化和溝道橫斷面計(jì)算農(nóng)溝排水量。

T1農(nóng)溝水閘和水尺設(shè)置同T2。非降雨時(shí)段根據(jù)農(nóng)溝和斗溝水位差情況，每1～2 d排水1次；降雨時(shí)當(dāng)農(nóng)溝水位超過斗溝20～30 cm時(shí)開閘排水直至與斗溝水位相平，然后關(guān)閉。排水量計(jì)算方法同前。

7）水樣提取與總氮、總磷濃度測(cè)定

田間水取樣：降雨后利用真空吸管在小區(qū)田面提取水樣。排水時(shí)在排水口取樣。排水后開始取樣，并在排水結(jié)束時(shí)再次取樣，每次500 mL左右，混合后保存。

農(nóng)溝水取樣：在農(nóng)溝的排水溝口、中部和溝尾分3個(gè)斷面取樣。每個(gè)斷面分上中下3個(gè)深度，分別在水面、1/2水深、底部取水測(cè)定。同一深度的水樣混合后測(cè)定。取樣時(shí)間為雨后1、4、10、16 h各取1次，以后每隔24 h取樣1次。

農(nóng)溝排水時(shí)，每隔1 h在排水口水深1/2處取水，且每次取樣次數(shù)不少于2次。每次取樣500 mL，混勻后取用。

田間滲漏水取樣：在田塊中間平行農(nóng)溝方向等距離布置3個(gè)地下水觀測(cè)井，深度為1.5 m，井管底部密封，管壁打孔并用無紡布過濾，井口加蓋防雨。取樣時(shí)先用真空泵清空井內(nèi)積水，1～2 h后吸取井管中滲漏水100 mL。每10 d取樣1次，降雨后每24 h取樣1次。各井樣品等體積混合后測(cè)定。

水樣的預(yù)處理采用過硫酸鉀消解法。水樣總磷（TP）的測(cè)定參照鉬銻抗分光光度法，總氮（TN）測(cè)定采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法[11]。

8）產(chǎn)量指標(biāo)：各小區(qū)單打單收，各取樣2 kg左右，105 ℃烘干8 h后按含水率14%時(shí)折算籽粒產(chǎn)量。

2　結(jié)果與分析

2.1控制排水的節(jié)水與減排效果

與淺水勤灌相比，農(nóng)田蓄雨控排處理本田期需水量和耗水量較淺水淺灌處理分別減少18.8%和15.3%（P＜0.05），而滲漏量差異不大（P＞0.05）（表3）。這是因?yàn)樾钣昕嘏拍Ｊ较?，灌水下限較低，水稻受到干旱脅迫，需水量減少；干旱脅迫時(shí)期滲漏量減少，可以抵消高蓄水時(shí)引起的滲漏增加。這與之前的結(jié)果相符[12]，說明農(nóng)田蓄雨控排模式未必增加滲漏而加大地下水污染風(fēng)險(xiǎn)。

表3　田間尺度不同排水模式下水稻需水量、田間耗水量與滲漏量Table 3　Water requirement, water consumption and percolation at field scale under different treatments　　　　　　 mm

與淺水勤灌相比，農(nóng)田蓄雨控排處理灌溉定額減少28.0%，灌水次數(shù)減少4次，差異顯著（P＜0.05）（表4），節(jié)水、省工效果明顯，而產(chǎn)量差異不顯著（P＞0.05）。這是由于蓄雨控排模式下，較低的灌水下限能降低作物耗水強(qiáng)度，延長(zhǎng)灌水周期，使得該次數(shù)減少，具有較好的節(jié)水省工效果。這對(duì)于勞動(dòng)力成本較高的江蘇具有現(xiàn)實(shí)意義。

表4　田間尺度不同排水模式下灌水量、灌水次數(shù)和產(chǎn)量Table 4　Irrigation frequency, irrigation quota, grain yield under different treatment at field scale

2.2溝田協(xié)同控制灌排對(duì)農(nóng)田和農(nóng)溝排水量的影響

由于T2雨后設(shè)計(jì)蓄水深度較高（表2），95%以上降雨被攔蓄于農(nóng)田（表4），排水量顯著降低（P<0.05）。與T1相比，由農(nóng)田排入農(nóng)溝的水量較T1減少60.6%。進(jìn)入農(nóng)溝的排水，經(jīng)再次攔截后滯蓄于溝內(nèi)，被蒸發(fā)和滲漏所消耗，使得地表排水量進(jìn)一步減少。和T1相比，農(nóng)溝尺度上降低了55.9%（表5）。因此，溝田協(xié)同控制灌排模式，從源頭上減少了區(qū)域農(nóng)田排水量。

從表5可以看出，2個(gè)處理中農(nóng)溝尺度上的地面排水量較農(nóng)田高11.1～20.4 mm。這是因?yàn)椋?）農(nóng)溝控制范圍內(nèi)的道路、農(nóng)溝以及田間毛溝（渠）等非種植面積上所產(chǎn)排水未經(jīng)格田攔截直接進(jìn)入農(nóng)溝；2）降雨期間格田側(cè)向滲漏與地下排水。盡管本試驗(yàn)區(qū)中耕地率高達(dá)89%，但上述2部分的排水量仍可占農(nóng)溝排水量的31.3%～38.7%（未考慮格田排水在匯流過程中的截留與滲漏損失），見表5。從圖1還可以發(fā)現(xiàn)，在水稻生育前期（分蘗期），降雨初期農(nóng)溝水中的氮磷濃度較高，表明非耕地也是稻作區(qū)重要的污染物來源，控制溝道排水對(duì)減少氮磷負(fù)荷意義重大。本試驗(yàn)中，在溝水位低于田面50 cm的情況下，若雨前農(nóng)溝水深50 cm，則農(nóng)溝可攔蓄731.3 m3的排水，相當(dāng)于全部控制面積上16.3 mm的凈雨，或非耕地面積上147.7 mm的次凈雨（未考慮格田側(cè)向滲漏），攔蓄效果明顯。試驗(yàn)期間，通過格田和溝道的逐次攔截，生育期內(nèi)19次降雨中，T2處理的格田、農(nóng)溝排水分別僅為1次和2次，其余降雨均被攔截于田、溝中，以蒸發(fā)和滲漏形式所消耗。這是該模式能減少地表徑流和氮磷負(fù)荷的重要原因。

表5　農(nóng)溝尺度上不同排水模式下溝田地面排水量與排水次數(shù)Table 5　Surface drainage frequency and quota under different water managements at field and ditch control scale

圖1　農(nóng)溝水中總氮和總磷濃度變化Fig.1　Change in concentrations of total N and P in ditch water

2.3溝田協(xié)同控制灌排對(duì)格田和農(nóng)溝排水中氮磷濃度的影響

節(jié)水灌溉模式下，田面經(jīng)常處于淺水層或無水層狀態(tài)。而江淮地區(qū)的強(qiáng)降雨多發(fā)生于水稻生育前期，此時(shí)秧苗葉面積系數(shù)較小。在雨強(qiáng)較大時(shí)，雨滴擊濺侵蝕，以及淺水層條件下雨滴打擊引起的水層紊動(dòng)，使得田面表土顆粒及其富集的氮磷更容易進(jìn)入水中，導(dǎo)致降雨初期田面水中氮磷濃度較高。尤其是T2處理，在降雨初期（8 h）田面水中總氮和總磷的濃度均顯著高于T1處理（表6）。

表6　雨后格田水總磷和總氮濃度Table 6　Concentration of total nitrogen and total phosphorus of basin water after rainfall

但由于T2處理雨后蓄水深度較大，擊濺侵蝕和水面紊動(dòng)隨田面水深的增加逐漸減小，進(jìn)入水中的泥沙和氮磷濃度降低。更重要的是，蓄水深度增加使T2處理格田排水時(shí)間滯后約6 h，延長(zhǎng)了雨水在格田的滯留時(shí)間。由于泥沙沉淀、土壤吸附作用，加上降雨的稀釋作用，發(fā)生排水時(shí)，T2處理水中氮磷濃度顯著低于T1（P＜0.05）。

降雨初期較短時(shí)間內(nèi)（降雨開始后8 h），2個(gè)處理的格田水中總磷和總氮的濃度即達(dá)到峰值，且濃度較高（表6），但下降均較快。達(dá)到濃度峰值6 h后，T1和T2處理的總氮濃度分別下降24%～35%，16 h后，分別下降35%～43%；總磷的變化趨勢(shì)與之相同，分別為27%～36%（6 h）和44%～54%（16 h）。這表明稻田具有良好的氮磷去除效果。這是因?yàn)椋?）泥沙沉淀降低了水中顆粒態(tài)氮磷濃度。分蘗期地表覆蓋度較小，強(qiáng)降雨產(chǎn)生的擊濺侵蝕和水層紊動(dòng)使大量顆粒態(tài)氮磷進(jìn)入水中。隨著水深增加，紊動(dòng)減輕，泥沙沉淀，顆粒態(tài)氮磷降低[13]；2）水量增加，對(duì)原來的總氮和總磷有一定的稀釋作用。因此，通過蓄水控灌技術(shù)，盡可能攔蓄初期降雨，蓄水于田，并增加雨水在格田的滯留時(shí)間，能有效減少由農(nóng)田進(jìn)入農(nóng)溝的排水量和排水中氮磷濃度，減輕農(nóng)溝蓄水壓力，為溝道控制排水創(chuàng)造條件。

由于農(nóng)田的攔蓄作用，降雨初期溝道徑流主要來自道路、溝渠邊坡等非耕地面積。在擊濺侵蝕和坡面沖刷作用下，農(nóng)溝水中總氮、總磷濃度雖低于同時(shí)刻農(nóng)田水（見圖1），但仍然保持較高水平。這與部分溝渠邊坡被農(nóng)民開墾耕作有關(guān)。表明在目前管理模式下，來自格田外的排水也是試驗(yàn)區(qū)氮磷流失的來源之一。隨著農(nóng)田排水進(jìn)入溝道，溝內(nèi)水總磷和總氮的濃度逐漸增加，但仍低于格田排水。由于泥沙沉淀、土壤吸附等作用，雨后農(nóng)溝水中的總氮和總磷濃度隨時(shí)間逐漸降低。從圖1可以看出，降雨后最初40 h，T2溝道水中總氮濃度下降速率較快，其后迅速下降，而T2處理的總磷濃度在雨后88 h仍下降較快。

一般認(rèn)為，滯蓄于格田和農(nóng)溝中的澇水，由于水深增加，會(huì)增加溝田入滲量，進(jìn)而增加氮磷污染物的滲漏損失。但測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，典型暴雨后（7月22日開始）稻田分蘗期滲漏水中總氮和總磷的濃度較為穩(wěn)定，且遠(yuǎn)低于格田和溝道排水（見圖2）。因此采用溝田協(xié)同控制灌排模式，由于農(nóng)溝滲漏水量增加而導(dǎo)致的氮磷負(fù)荷有限?？刂频乇砼潘匀皇菧p少氮磷負(fù)荷的有效手段。

圖2　土壤水中總氮與總磷濃度變化Fig.2　Change in total N and P in soil water

2.4溝田協(xié)同控制灌排對(duì)不同尺度氮磷負(fù)荷的影響

溝田協(xié)同控制灌排模式下，降雨經(jīng)過格田和溝道的2次攔截，排水量減少。同時(shí)由于滯留時(shí)間的增加，有利于溝、田濕地效應(yīng)的發(fā)揮，使得農(nóng)田和農(nóng)溝排水中總氮和總磷濃度降低。上述因素導(dǎo)致氮磷流失量均低于對(duì)照，如表7所示。農(nóng)田尺度上，T2處理的總氮和總磷流失量顯著低于T1，降幅分別為58.6%和58.8%；農(nóng)溝尺度上分別降低59.7%和66.7%（表7）。盡管農(nóng)溝尺度上徑流量高于農(nóng)田，但總氮和總磷流失量仍降低。表明溝道濕地系統(tǒng)（本試驗(yàn)中包括農(nóng)溝和毛溝2級(jí)）對(duì)地表排水中的氮、磷具有較好的去除效果。

表7　不同排水模式下的總氮和總磷流失量Table 7　Total N and P losses of surface runoff under different treatments

2.5不同處理的水量平衡分析

農(nóng)溝尺度的地面水量平衡分析如表8所示。T1和T2處理均出現(xiàn)盈余，主要包括1）泡田期農(nóng)田土壤含水率較低而收獲時(shí)較高產(chǎn)生的農(nóng)田儲(chǔ)水量變化；2）溝（渠）道入滲、蒸發(fā)耗水。T2處理盈余較T1多22.1 mm，與其溝道蓄水時(shí)間長(zhǎng)，滲漏和蒸發(fā)消耗較多有關(guān)。結(jié)合土壤水中總氮和總磷濃度資料（圖2），表明因溝道蓄水深度增加和滯留時(shí)間延長(zhǎng)而導(dǎo)致的氮磷淋洗損失有限。?

表8　農(nóng)溝尺度上不同排水模式下的水量平衡表Table 8　Water balance of different treatment at ditch scale

3　討　論

溝田協(xié)同控制灌排模式較單一的農(nóng)溝或農(nóng)田控制排水具有更好的節(jié)水減排效果。單純農(nóng)田控制排水，在雨量較大的情況下，農(nóng)田與溝、渠等非耕地排水所產(chǎn)生的污染物會(huì)仍會(huì)通過農(nóng)溝進(jìn)入受納水體。同樣，若農(nóng)田排水不加控制，由于農(nóng)溝蓄水能力有限，單純控制農(nóng)溝排水仍會(huì)產(chǎn)生較多的排水量和氮磷流失。溝田協(xié)同控制灌排模式將農(nóng)田控制排水與溝道控制排水相結(jié)合，降雨經(jīng)過農(nóng)田和農(nóng)溝的2次攔截，可使農(nóng)田和農(nóng)溝排水量減少60.6%和55.9%。稻田和農(nóng)溝的濕地效應(yīng)也有效降低了排水中氮磷濃度，最終使得農(nóng)田尺度上總氮和總磷流失量降低。

對(duì)于不同的水文年型，由于降雨量的差異，農(nóng)田和農(nóng)溝攔蓄水量會(huì)有所不同，但其減少排水量和降低排水中氮磷濃度的結(jié)論符合邏輯。即使在降雨量較低，農(nóng)田不排水的的年份，農(nóng)溝仍然可以攔截溝渠、道路的徑流，起到減排的效果。而較低的灌水下限也能降低需水量和灌溉定額[10,12]。故本研究雖只有1 a數(shù)據(jù)，該模式的節(jié)水、減排效果是可以預(yù)見的。但農(nóng)溝高水位運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)，可能引起產(chǎn)量降低。目前有關(guān)水稻產(chǎn)量對(duì)溝道蓄水深度和滯留時(shí)間的響應(yīng)研究不多，有必要深入。

該技術(shù)模式僅需在原來田埂高度（20 cm左右）基礎(chǔ)上加高10 cm，并在農(nóng)溝末端設(shè)置小型控制排水設(shè)施，硬件投入少，技術(shù)要求較簡(jiǎn)單。與國(guó)內(nèi)外推薦的濕地減污模式相比，該模式充分利用現(xiàn)有農(nóng)田和農(nóng)溝，無需額外增加濕地面積和建設(shè)費(fèi)用，適于在耕地緊張的中國(guó)南方稻作區(qū)推廣使用。

4　結(jié)　論

1）溝田協(xié)同控制灌排模式具有良好的節(jié)水、減排和省工效果，具有較好應(yīng)用前景。與非控制排水相比，在不減產(chǎn)的前提下，該模式農(nóng)田尺度上水稻需水量和耗水量水量減少18.8%和15.3%，灌溉定額和排水量分別減少28.0%和60.6%，氮、磷負(fù)荷分別減少58.6%和58.8%，灌溉次數(shù)減少4次，處理間差異顯著。農(nóng)溝尺度上，排水量減少55.9%，氮、磷負(fù)荷分別降低59.7%和66.7%。

2）降雨初期農(nóng)田和農(nóng)溝水中氮磷的濃度較高，且衰減速度較快。暴雨開始后8 h，農(nóng)田水中總磷和總氮的濃度達(dá)到峰值，其后開始下降。峰值6 h后，總氮濃度可下降24%～35%；16 h后，降幅達(dá)35%～43%?？偭椎淖兓厔?shì)與之相同，可達(dá)27%～36%（6 h）和44%～54% （16 h）。因此，控制稻田和農(nóng)溝初期排水能有效降低農(nóng)田氮磷流失量。

3）溝渠、道路等非耕地排水可達(dá)農(nóng)溝排水量的31.3%～38.7%，是稻作區(qū)排水和氮磷負(fù)荷的重要來源。攔截該部分排水是溝田協(xié)同控制灌排模式減排的重要手段。

致謝：本文得到了“江蘇省優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目”及“海岸帶資源開發(fā)與安全學(xué)科創(chuàng)新引智基地（B12032）”資助，謹(jǐn)表感謝。

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Reduction of nitrogen, phosphorous and runoff by coordination controlled drainage with basin and ditch in paddy field

Zhu Chengli1, Guo Xiangping1※, Liu Minhao2, Tang Shuhai3
(1. Key Laboratory of High-Effective Irrigation and Drainage and Agricultural Water and Soil Environment in Southern China, Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 210098,China;2. Development Center for Science and Technology of Rural Water Resources of Jiangsu Province, Nanjing 210029, China;3.Lianshui Water Conservancy Research Institute, Lianshui 223200, China)

Abstract:Heavy rains occur frequently in South China during rice growth stages. The large amount of discharge from paddy field combined with high fertilization has caused serious environmental problems. The present controlled drainage methods pay much attention to holding more water in basins and reducing pollutant from basins, however, how to control runoff from field ditches and non-cultivated areas are often ignored. Coordinated Controlled Drainage (CCD) was proposed in the paper to solve the problem above by making most use of the wetland effects of both paddy field and field ditches that were widely distributed in the farmland in South China. The CCD technique tries to store rainwater in basins as much as possible by using rain-catching and controlled irrigation (RCCI) technique that maintains lower irrigation limit and higher water depth after rain depending on the waterlogging-tolerant and drought-tolerant ability of rice so as to reduce runoff from basins. Furthermore, it also impouned runoff from basins and non-cultivation lands such as roads, ditches and canals by a construction at the outlet of the field ditch. Field experiments were conducted in 2013 to verify the feasibility of the model. Controlled and uncontrolled drainages treatments were designed in rice field. Each controlled field of 4.5 hm2. Three replicates were designed. During the experiment, the drainage from field and trench were collected for determination of total nitrogen and phosphorus (TN and TP). Rice yield was measured. The results showed that at field scale, CCD could reduce evaportanspiration and water consumption by 18.8% and 15.3%, compared with frequent and shallow irrigation technique (FSI) respectively. Irrigation quote, drainage quote and irrigation frequency declined 28%, 60.6% and 4 times while TN and TP loss reduced 58.6% and 58.8%. At field control scale, surface drainage volume, the TN and TP burden from controlled ditch decreased by 55.9%, 59.7% and 66.7%, respectively under CCD without reduction of grain yield compared with uncontrolled ditch combined with FSI. The investigation also found that TP and TN concentrations were high both in basin water and ditch water at early stage after rainfall and decreased rapidly with time, indicting that holding water in basins and ditches at that time could remove TN and TN more efficiently. Runoff from non-cultivated area accounted for 31.3%-38.7% of the total runoff from ditches, indicating it was an important source of pollutant. The results above suggested CCD was an effective method to reduce water application, cost of labor, and pollutant burden in paddy field in South China.

Keywords:drainage; nitrogen; phosphate; paddy field; coordinated controlled drainage

通信作者：※郭相平，山東成武人，教授，博士后，主要從事節(jié)水灌排理論研究。南京河海大學(xué)，210098。Email：xpguo@hhu.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：朱成立，江蘇寶應(yīng)人，副教授，博士，主要從事水土資源高效利用研究。南京河海大學(xué)，210098。Email：clz@hhu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51079042）；江蘇省水利科技項(xiàng)目

收稿日期：2015-10-08

修訂日期：2015-12-10

中圖分類號(hào)：S276.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-6819(2016)-03-0086-06

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.013